卧式泡罩精馏塔的设计方法

专利名称：卧式泡罩精馏塔的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的精馏塔的设计。
现有的精馏塔均按通用设计标准规范来设计的，根据原液的物理及化学性质、沸点、蒸馏过程的压力以及塔的加热方法的不同可设计成不同构造的精馏装置，一般的精馏塔都是圆塔状装置，这种塔一般由十余个塔节叠加而成。以泡罩塔为例，每个塔节内设一块塔板，塔板上按同心圆或等边三角形排列法装上蒸气管，在蒸气管上配上圆形的泡罩，泡罩的边缘沉没在液体中，以构成水封，从泡罩内出来的蒸气必需通过仃留在塔板上的液体层。泡罩的下边一般设有裙齿，可使蒸气分散成小气泡，来增加气液的接触面积。液体的流人、流出以及液体在塔板上的高度，是由溢流管来调节的，溢流管排列在塔板直径的两端，所以在相邻的两块塔板上的流动方向是相反的。为了使塔板的操作效果增加，有时将塔板上的气、液流动的方向进行剧烈的搅拌，于是产生了各种不同形状的泡罩，以求增加两相的接触面;设计时还要求取塔板间的距离，最终计算出精馏塔的总高度。这种规范化的设计要考虑到流体的阻力以及在分离液与气相相互流动时所发生的起泡沫和带走液体等现象，总之需要考虑与计算的关键较多。这种设计方法在国内外已采用了数十年，但在实践中发现由于这种塔器设计复杂、加工部件多，虽然塔的分离效果好，但塔节多，整个装置在安装与生产操作时必须向高空发展，所以只有在具备高空操作条件下方能施工、操作，这样的装置必须配用高达数层的厂房，那么其一次投资很大，以后的生产、维修费用也高。
本发明的目的是要提供一种结构简单，效果与经典精馏塔相比不相上下的卧式泡罩精馏塔的设计方法，这种塔器装置是与地面平行的，因此可以在近地面生产操作、安装维修。
本发明是这样实施的
采用原有的精馏塔设计公式，求取原圆筒形精馏塔的直径与截面积，将此圆形截面积换算成矩形面积，求取矩形的长与宽，则可作为本实用新型所指的卧式塔的纵截面的长与宽1、塔的纵向截面积的求取引用典型公式求取有关数据，其计算公式为V＝∏D2/4×W 米3/秒式中Ⅴ-沿塔运行的原液蒸气的体积米3/秒∏-圆周率3.1416D=4V/ПW]]>米式中W-原液蒸气在塔的自由截面积上运行的速度，一般选择在0.65-1.90范围内。米/秒D-圆塔的直径米求取每秒种通过塔的原液蒸气的体积为V′＝G(1+R)rVP/3600 米3/秒式中G-塔的生产能力，以产品计为公斤/时，R-操作回流比，一般选择4-5VP-水-物料的比容米3/公斤VP＝RCPT/P式中T-为沿塔上升的原液蒸气的绝对温度°K;
RCP-原液蒸气的平均气体常数;
RCP=18.4X0+47X0+47H1O/100]]>式中XD-产品中蒸馏物含量 %(W/W)XH1O]]>-产品中的含水量 %(W/W)r-在该物料浓度下产品的重度公斤/升将选取的圆塔直径D计算出圆塔的截面积S，将圆面积S换算成矩形面积，折算成矩形面积的高(L)与宽(M);
设定矩形塔的高与宽的比为一般要求L可设定在3.5-5.4的范围内，若选定L∶M＝5.4∶3则L＝5.4M/3;
最后可求出矩形截面的高与宽的数据，单位为米。
2、蒸气管与泡罩的设计计算蒸气管的自由总截面积为F＝2.2V′/W′式中 V′-沿塔运行的原液蒸气量，米3/秒W′-蒸气在蒸气管中的流速，米/秒蒸气管或泡罩的数目求取n′＝F′/F个式中 F′-塔板的面积厘米2F-每个蒸气管的截面积厘米2式中W′一般可在4.5-6.0范围内选定;
F′＝1.7317L1M式中1.7317为常数，L1为塔板的长度厘米蒸气管直径为d=4F/П]]>厘米泡罩间距为S′＝D′+dknd/nd+1 毫米式中D′-塔板宽度毫米dk-泡罩直径毫米d-蒸气管直径毫米nd=4/3n＇]]>n′-排列于塔板上的泡罩总数泡罩直径的求取dK=4F+Пd2/П]]>毫米蒸气管与泡罩的垂直缝隙h1＝d(外径)/4 毫米泡罩下沿与塔板间的距离h2＝d2(内径)/4dK泡罩周边的周长l′＝∏dK毫米泡罩的总数z＝l′/b+t毫米式中b-长圆孔宽度毫米
t-两个长圆孔的间隔宽度毫米泡罩长圆孔高度为h＝∏d2k/4zt+b 毫米3、塔板上的溢流管高度h''＝h′-△h毫米式中h′-塔板上液层高度，一般为35-70毫米△h-液层高出溢流管的高度，一般为5-15毫米4、溢流管直径的求取d＇=4D＇R/3600ПW”]]>式中w”-蒸气在溢流管中的流速，一般定为0.15-0.8米/秒5、塔板上泡罩的排列要求是取塔体的宽度线之中间线画出塔板的纵向中心线，从塔板与隔板上叶相接处起向中心线两侧展开，以等边三角形排列法将应列的泡罩数均匀地排列上。由于塔板的宽度与塔节的宽度相等，则以塔板面积与塔节宽度之比即可求得塔板之长度。
6、汽液隔板的确定隔板的上叶与下叶的宽度与塔节宽度相同，两者的高度是相等的。即隔板高度 H＝1.8M-h3式中M-精馏塔的宽度毫米h3-塔的矩形截面高度减去气液隔板高度，毫米7、在汽液隔板下叶的底边中间线处开一半径为10毫米的半圆孔。在溢流管横管的中间线与其底线的相交处开一直径为2毫米的圆孔，溢流管在塔板上的设置位置应开在塔板的纵向中心线的两端上，前后塔板间相近的两个溢流管孔的距离为溢流管的横管长度，其短竖管与塔板平齐，长竖管超过塔板，其超过塔板的高度为h”。
8、塔板的总数是根据经典的计算方法求取的，一般有的16-30块，则相应地应有汽液隔板15-29块。
按上述计算确定的塔板的面积与数量，泡罩、蒸气管的直径与数量，隔板上、下叶的面积与数量，以及它们的相互配置关系均已说明，就可以完成整个泡罩精馏塔的构造设计。
为完善有关部件的功能，设计要求将蒸气管上端设三个支承，这三个支承是以蒸气管的横截面以120°角分割设置的，其支承的高度约为蒸气管高度的1/3。泡罩插焊在三个支承上后，可将泡罩的顶面打光洁，在塔板上安装好泡罩后，在塔板的左右两端焊上汽液隔板上叶和汽液隔板下叶，其上叶是先固定在塔体的顶面上的，为一块平板，在此板的下边上固定信住塔板的一端，塔板的另一端与下叶相连焊接，下叶是一块上部弯曲45°，弯曲部分高约40毫米的平板，下叶的下边是固定在塔体的底面上的，此下边的中间线上开有一个半径为10毫米的半圆孔。设计定以一组汽液隔板上、下叶与一块塔板构成的是一个塔节。在塔板与塔板之间设一根溢流管，此溢流管是
形的，管长的一端穿过后一塔节的塔板，在塔板上保持一定的高度，而管短的一端与前一个塔节的塔板的平面平齐，用焊接方法固定，在溢流管的横管中间线下端开一直径为2毫米的小孔，作排液用。
根据精馏液的性质与处理量，通过计算可设置相应数量的塔节，一般可有16-30个塔节。第一个塔节的底部与一个蒸馏釜相接，塔板上设一根溢流管与蒸馏釜相通，倒数第二个塔节的靠近塔板部位与顶部开有出口管，靠近塔板部位的管口供接回流管用，而顶部的管口供出精馏液气体与出不凝气用。
这种改进的卧式精馏塔经过实际应用证实具有与经典精馏塔同样的效果，但它具有经典精馏塔所不具备的优点，如设计计算简单、另部件少、加工方便、最突出的是实现了整个塔体是与地面平行的，而且可在近地面处安装，完全取消了高空安装的条件，这样可使精馏塔的安装、操作费用大大下降，从而达到降低投资、降低生产成本之目的。
下面将结合附图对本卧式精馏塔的结构作一阐述。
附

图1是本卧式精馏塔的全程示意图;
附图2是本卧式精馏塔的塔节内部结构示意图;
附图3是升气管与泡罩的结构示意图;
附图4是溢流管的结构示意图;
附图5是汽液隔板的结构示意图。
结合附图，一种改进的卧式泡罩精馏塔，它的整个塔体是与地面平行的，与地面相距一般为2米左右。这种卧式泡罩精馏塔的纵截面为矩形，其矩形的上、下底略带拱形，看来近似火车车厢。它是由塔体1、塔板2、汽液隔板上叶4、汽水隔板下叶5、泡罩3、溢流管6、蒸馏釜7、升气管8构成的。装配时，先在成矩形纵向截面的塔体1内将汽液隔板上叶4固定在塔体顶面上，再将汽液隔板上叶4的下边与塔板2的右侧边相固定，再将塔板左侧边与已固定在塔体底面上的汽液隔板下叶5的中部相接，并固定;在塔板2的平面上以等边三角形排列法均匀地设置蒸气管8，蒸气管8的上部有以120°分配的三个支承杆，泡罩3焊接在此三个支承杆上，泡罩3的下周边上均匀地分布有若干个长圆孔，泡罩3的下边与塔板2的距离保持一定的距离。在前塔板与后塔板之间设有溢流管6相连通，溢流管6是
形的，短管的一端装在前一个塔节的塔板上，与塔板平面平齐;长管的一端装在后一个塔节的塔板上，并高出塔板。在此溢流管的横管的中间线的下部开一个直径为2毫米的小孔供排液用。汽液隔板下叶5是一块上端有一段弯曲45°角，弯曲部分高为40毫米的平板，此板的下边中心部位开一个半径为10毫米的半圆孔，将板固定在塔体1的底面上，此半圆孔可使各塔节间的精馏液适当地在塔体内流通，以免滞流。汽液隔板上叶4是一块平板，固定在塔体的顶面上。以此类推，将设计计算确定的应有多少个塔节，全按此方法装配上、下隔板与塔板、升气管、泡罩、溢流管。将第一个塔节底部开设一口与蒸馏釜7之口相连接，在其塔板2的中心线位置的一端设置一根溢流管6，其一端插入蒸馏釜中。而在倒数第二个塔节的近塔板部位与顶部各开一个出口，顶上一个口供流通精馏液气体，而在近塔板的部位上的口是供通回流气、液之用。
这种改进后的卧式泡罩精馏塔具有经典精馏塔的效果，但比经典精馏塔具有更多的优点，最突出的特点是整个精馏塔的塔体似一列火车车厢，其横截面是矩形的，矩形的上、下边也可略带拱形。此塔体安装后是与地面平行的。这样就使精馏塔整体造价与安装、操作费用大为下降，从而使生产费用大大下降。
现提出一个实施例来介绍本发明的设计方法以年生产食用酒精400吨的精馏装置为例采用本发明前述的设计公式求取卧式泡罩精馏塔的主要数据，年产食用酒精400吨/年相当于60公斤/时。
按前述公式计算出的数据为因该生产规模的圆塔直径相当于500毫米，则设定本矩形塔的纵向截面积折算成圆形面积应比之略小，故定为454毫米。
1、V＝∏D2W/4＝3.1416×(0.454)2×0.65/4＝0.07米3/秒;
V′＝G(1+R)rVP/3600＝60(1+5)0.812×0.674/3600＝0.055米3/秒;
式中 0.674由VP＝RCPT/P＝19.83(78.3+273)/10333＝0.674米3/公斤式中 RCP＝18.4XD+47XH1O]]>/100＝18.4×95+47×5/100＝19.83式中 XD-精馏酒精的纯度95%;
XH1O]]>-精馏酒精中的含水量5%。
矩形塔的纵向截面积
S＝LM＝3/5.4L2＝∏(0.454)2/4＝0.162米2;
则L2＝5.4∏(0.454)2/3×4塔的高度为L＝3.5/12]]>＝0.54米;
塔的宽度为M＝3/5.4L＝0.3米;
2、每个蒸气管的自由截面积为F＝2.2×0.055/4.5＝0.027米2;
塔板上蒸气管的总自由截面积为F′＝1.7317L1M＝1.731×0.3×0.34＝0.18米2;
蒸气管或泡罩的数目n′＝F′/F＝7(个);
蒸气管的直径d＝4×F / П]]>＝18.54毫米泡罩间距为S′＝D′+dk/nd+l＝300+50×3.0/3+1＝112.5毫米式中 nd＝4/3n′]]>＝√4/3×7＝3.05，即它是塔板对角线上应设置的泡罩数。
dk＝4×F+П(di)2/П]]>＝53.3毫米式中di是泡罩内径。
蒸气管与泡罩的垂直缝隙h1＝26/4＝6.5毫米;
式中蒸气管的外径为26毫米;
泡罩下沿与塔板间的距离h2＝d2/4dk＝(20)2/4×50＝2毫米;
泡罩周边长度l′＝∏dk＝3.1416×50＝157毫米;
泡罩数目Z＝l′/b+t＝157/6+4＝15.7取16个;
泡罩的长圆孔高度h＝∏d2k/4zt+b＝∏(50)2/4×16×6+4＝20.24，取20毫米;
3、塔板上溢流管高度为h”＝h′-△h＝60-10＝50毫米;
其中h′是塔板上液层高度，设计范围为35-70毫米，现设定为60毫米;
其中△h是液层高出溢流管的高度，设计范围为5-15毫米，现设定为10毫米;
4、溢流管直径为d′＝4D＇R/3600ПW”]]>＝4×0.055×5/3600×3.1416×0.15]]>＝25.5毫米;其中w”是蒸气在溢流管中的流速(米/秒)，其选定范围为0.15-0.80;
5、气液隔板的高度计算因为隔板的上、下叶的高度是相等的，而宽度也是相等的。则其高度 H＝1.8M-h3＝1.8×300-170＝370毫米;
其中h3为塔节的纵截面高度L减去隔板高度H之值。
6、塔板总数的求取方法与经典设计方法相同，设计取为16块塔板。
将上述数据构成的卧式酒精泡罩精馏塔，与通用经典的苏式圆筒形竖的泡罩精馏塔的有关数据作比较，列表如下卧式塔经典苏式塔塔体截面积(毫米) 300×540 ∏(550)2/4塔体总长(高)(毫米)780012356塔板数量(块)1666隔板数量上叶150下叶150塔体重量(公斤)50018.30塔体总散热面积(米2) 13.104 21.69置塔厂房高度(米)3.838
精馏塔安装时间(天)5150生产操作高度(米)020总投资(￥)(万元)1238由以上卧式精馏塔全流程取得的酒精精馏的工艺数据如下蒸馏釜温度83℃冷凝器处温度78.3℃成品液温度20℃待精馏酒精含量(%)93.0精馏后酒精含量(%)95.5一次精馏残液的酒精含量(%)8.0精馏酒精回收率(%)95.0精馏成品温度20℃低沸点排空器出口温度40℃从以上酒精精馏数据来看，此卧式精馏塔的设计是可行的。那么这种卧式塔所具有的特点，即与地面平行且靠近地面，取消了高空操作的必要条件，对精馏塔装置而言是一种重大改进。
权利要求
1.一种卧式精馏塔的设计方法，其特征是使用经典的计算方法，求出圆塔的截面积，再按设定的矩形面积的长、宽比，求取相当于此矩形面积的长、宽尺寸；再计算塔板的总面积、蒸气管、泡罩的直径与数目、溢流管直径与长度、汽液隔板的尺寸，其计算公式为(1)、塔的纵向截面积的求取V=∏D2/4 米3D=4V/∏W 米V′=G(1+R)rVP/3600 米3VP=RCPT/PRCP=18.4XD+47X47XH1O/100]]>M∶L=3∶3.5-5.4(2)、蒸气管与泡罩的计算F=2.2V′/W′ 米2F′=1.7317L1M 米2n′=F./F 个d=4F/П]]>毫米S′=D′+dKnd/nd+1 毫米dK=4F+Пd12/П]]>毫米nd=4/3n＇]]>h1=d(外径)/4 毫米h2=d2(内径)/4dk毫米h3=L-H 毫米I′＝Πdk毫米Z=l/b+1 毫米h=Πdk2/4zt+b 毫米(3)、溢流管高度求取h″=h′-△h 毫米(4)、溢流管直径求取d＇=4D＇R/3600ПW”]]>毫米(5)、汽液隔板的确定H=1.8M-h3毫米。
2.根据权利要求1的卧式塔的设计方法，设计出的泡罩精馏塔是由蒸馏釜、塔板、升气管、泡罩、溢流管构成的，其特征在于其整个塔体(1)是与地面平行的，塔体与地面相距约为2米;而此塔体(1)的纵截面是矩形的，也可使矩形的上、下两边略带拱形;其塔体的里面的顶面上装有汽液隔板上叶(4)，塔内底面上装有汽液隔板下叶(5)，两隔板间装有具泡罩(3)、蒸气管(8)的塔板(2)，前、后塔板间有溢流管(6)相通。
3.根据权利要求1的卧式精馏塔的设计方法，其特征在于其整个塔体是由16-30个塔节构成的，在每个塔节内设有一块汽液隔板上叶(4)与一块汽液隔板下叶(5)，一块塔板(2);在塔板(2)上设有蒸气管(8)与泡罩(3);在前一个塔节的塔板(2)下面与穿过后一个塔节的塔板(2)是一根溢流管(6)。
4.根据权利要求1的精馏塔的汽液隔板上叶(4)，其特征在于此板为一块矩形平板，其上边可以略带拱形，可固定在塔体(1)的顶面上，其下边与塔板(2)成90°角相接并固定。
5.根据权利要求1的精馏塔的汽液隔板下叶(5)，其特征在于此隔板为一块上部有一段弯曲的矩形平板，其弯曲部分的高度为40毫米，弯曲角度为45°;此平板的下边也略带拱形，在此下边的中间部位开一个半径为10毫米的半圆孔，并将下边与塔体(1)的底面固定。
6.根据权利要求1的精馏塔的溢流管(6)，其特征在于此溢流管为
形，在其横管的中间向下部开有一个直径为2毫米的小孔;溢流管的长管可穿过后一个塔节的塔板(2)，并在塔板上保持一定的高度，将管与塔板固定;溢流管的短管与前一个塔节的塔板(2)相接并固定，此短溢流管口是与该塔板的平面平齐的。
7.根据权利要求1的精馏塔的蒸气管(8)，其特征在于此管的上部有三个支承杆，是以管的圆周按120°分布的，支承杆的高度约为管长的1/3。
8.根据权利要求1的精馏塔的泡罩(3)，其特征在于此泡罩(3)的下周边上开有均匀分布的长圆孔，将泡罩(3)焊接在蒸气管(8)上，必须保持泡罩(3)的周边与塔板(2)的距离不小于3毫米。
全文摘要
一种卧式泡罩精馏塔的设计方法，是将原圆柱形塔改为矩形的卧式塔，其矩形截面的上、下边略带拱形。安装后塔体与地面平行，操作人可在地面上操作。塔体根据不同的精馏物可设16—30个塔节，每个塔节内装有隔板上叶和隔板下叶，两隔板的中间装有泡罩塔板，两块塔板间配有溢流管。这种精馏塔与经典的精馏塔相比，具有设计简单、零部件少，加工、施工、操作方便，不需要高层厂房等特点，则精馏生产成本大为降低。
文档编号B01D3/18GK1096711SQ9311156
公开日1994年12月28日 申请日期1993年6月25日 优先权日1993年6月25日
发明者王公宽 申请人:王公宽